混響室

混響室一詞在聲學領域和電磁學領域都有套用，其實，電磁學領域混響室一詞是源於聲學領域的。在這裡，為了區分二者，將聲學領域的混響室稱為聲學混響室，將電磁學領域的混響室稱為電波混響室。聲學混響室是一個能在所有邊界上全部反射聲能，並在其中充分擴散，使形成各處能量密度均勻、在各傳播方向作無規分布的擴散場的實驗室。電波混響室是一個電大尺寸且具有高導電反射牆面構成的禁止腔室，腔室中通常安裝一個或幾個機械式攪拌器或調諧器，通過攪拌器的轉動改變腔室的邊界條件，進而在腔室內形成統計均勻、各向同性和隨機極化的電磁環境。

基本介紹

• 中文名：混響室
• 類型：實驗室
• 用途：測定材料的吸聲係數等
• 容積：70～300m

簡介

混響室一詞在聲學領域和電磁學領域都有套用，其實，電磁學領域混響室一詞是源於聲學領域的，但是現在這兩個領域的很多人都直接用混響室一詞而不加區分。在這裡，為了區分二者，將聲學領域的混響室稱為聲學混響室，將電磁學領域的混響室稱為電波混響室。

聲學混響室

定義

聲學混響室是一個能在所有邊界上全部反射聲能，並在其中充分擴散，使形成各處能量密度均勻、在各傳播方向作無規分布的擴散場的實驗室。

功用

聲學混響室的功用主要是：測定材料的吸聲係數，空氣中的聲吸收，聲源和機器、設備等的聲功率及頻譜，測量某些電聲器件和設備的效率等聲學性能以及對靈敏機件作噪聲疲勞試驗等。

要求

混響室的混響時間應儘量長，以保證聲能充分擴散，故一般建成各表面不相互平行的不規則房間，或其長、寬、高中任何兩個尺度之比不等於或很接近於某一整數的矩形房間，幾個國際標準化組織推薦採用的比值（長∶寬∶高）為:1.54:1.28:1；1.58∶1.25∶1;1.69∶1.17∶1;2.13∶1.17∶1；2.38∶1.62∶1;房間全部表面的平均吸聲係數應不超過0.06，一般可用在房間的表面上刷瓷漆、鋪瓷磚或貼銅箔等方法來實現。為了增加聲能的擴散改善聲場的均勻性，可在房間內懸掛固定的擴散片，安裝大型轉動或擺動的擴散體。壁面應厚實，以避免壁體本身發生共振而吸收很多聲能。還應避免由於門縫太大而漏聲或不厚實而發生共振吸聲。

混響室的容積一般為70～300m,由所需測試的最低頻率確定。國際標準化組織規定的標準混響室的容積為200m±10%,可測試的最低頻率為125Hz(1/1倍頻程)或100Hz（1/3倍頻程），其混響時間一般為幾秒到幾十秒。

評定

對混響室的評定，除測量混響時間外，還應檢測房間中擴散場條件的符合情況,一般在聲場中任選6個以上的測點。測點間隔應大於λ/2,測得的聲壓級的標準偏差應小於±1dB。

混響室與基礎之間應有隔振措施，以減小本底噪聲。

電波混響室

定義

電波混響室是一個電大尺寸且具有高導電反射牆面構成的禁止腔室，腔室中通常安裝一個或幾個機械式攪拌器或調諧器，通過攪拌器的轉動改變腔室的邊界條件，進而在腔室內形成統計均勻、各向同性和隨機極化的電磁環境。

在國內，關於混響室的名稱多種多樣，公開發表的論文中出現的名稱包括“電波混響室”、“EMC混響室”、“電磁混響室”、“電磁混波室”等。為避免混淆，一方面，考慮到在形式上與另一種傳統意義的電磁兼容測試平台“電波暗室”一致，比較習慣，也便於區分和理解；另一方面，在聲學領域，“混響室”使用更廣泛，而“混波室”使用比較少，而且混響室最初是借鑑聲學研究中“混響室”的概念，所以有學者建議在國內統一使用“電波混響室”這一名詞。

功用

電波混響室技術研究的早期，在電磁兼容性測試技術中引人混響室測試平台的初衷主要是混響室可以利用較小的功率輸入獲得強輻射場。

由於電波混響室提供的電磁環境具有以下特性：空間均勻，室內能量密度各處一致；各向同性，在所有方向的能量流是相同的；隨機極化，所有的波之間的相角以及它們的極化是隨機的。所以混響室可用於多種涉及輻射場的測量其中包括：

l 輻射抗擾度和輻射發射測量。在混響室內可形成各向同性、均勻的場，因而特別適合進行輻射抗擾度測量，尤其是對於大型的EUT

l 禁止效能測量。對禁止襯墊、禁止材料的禁止效能測量的特點是在大的混響室內設定另外一個較小的禁止殼體，並在此殼體內對由禁止材料泄漏進入的場也進行模攪拌，並分別接收混響室中及禁止殼體內電磁場的功率，從而求得禁止效能。

l 天線效率測量。在天線參數測量中，天線效率的測量是比較困難的。這主要是由於測量一付天線在全部立體角範圍內輻射的總功率是十分困難的。因為任何一付實用的天線都不可能是完全全向的，不同立體角的輻射功率密度也是不同的。但這些困難在混響室測量中不復存在。

在無線通信領域，利用電波混響室的多反射形成的漫射場模擬無線通信中的多入多出環境。其研究內容較多，比如汽車內部的超寬頻通信等。

分類

目前，套用最多、標準認可、運行比較可靠的電波混響室是機械攪拌式混響室，又稱模式攪拌式混響室(Mode Stirred Reverberation Chamber)，它是在高反射腔體內，安裝一個或多個機械式攪拌器，通過攪拌器的連續或者步進式轉動改變邊界條件，從而在腔室內形成統計均勻、各向同性、隨機極化的場。此外，在混響室的研究中，不少學者提出了其他一些也能實現電磁混響的設計方案，這裡做一簡單介紹。

(1)擺動牆(Moving Wall)式混響室。

1992年，Huang Yi等提出採用擺動牆方案。由於混響室牆體的擺動，使室內體積不斷變化．從而連續改變空腔的諧振條件而達到混響的目的，但這種裝置的實際實現有一定困難。2002年，N.K.Kouveliotis等用FDTD方法仿真計算了擺動牆混響室的品質因數Q和場均勻性．並通過建模、仿真其對EUT進行了測試，考察了擺動牆混響室產生混響的性能。

(2)漫射體式混響室。

1997年，M．Petirsch等提出將建築聲學中對聲波反射的Schroeder漫射體用於改善混響室內電磁波的諧振，並用數值方法分別計算了帶有和不帶有漫射體的混響室內電磁場的分布情況，結果表明漫射體改善了室場內的均勻性。

(3)波紋牆式混響室。

1998年，E.A.Godfrey等提出了一種波紋牆的混響室結構方案，並探討了在一個小型混響室內(1.8m×1.2 m×0.8m)採用波紋牆對場均勻性的影響，考察的頻率范同為150MHz～650MHz，實驗分別在平面鋁牆和鋼波紋牆混響室內進行，對比兩種條件下的數據結果表明，波紋牆有利於改善混響室內的場均勻性。

(4)源攪拌混響室。

1992年，Y.Huang和D.J.Edwards提出源攪拌的方法。它通過在測試中移動天線的位置或控制天線陣中不同天線的發射信號的方法改變測試中源的位置，達到混響的目的。它的基本原理是改變混響室中各本徵模的權重因子。這種方法由於不用機械攪拌器，使得測試空間增大，而且還能改善混響室的低頻性能，所以至今仍有人對之進行研究，這些研究用本徵函式疊加的方法推導了混響室有源激勵的電磁場分布公式，並提出了對稱模與反對稱模發射的方法(即源攪拌方法)，從理淪上證實了利用源攪拌實現混響的可行性，一定條件下在低模狀態下可獲得均勻場，並且模擬的結果證實了數據推導的正確性，為混響室在低於最低可用頻率的分析提供了可行的方法。

(5)頻率攪拌混響室

1994年，David A.Hill提出頻率攪拌的方法。其二維的數值計算結果表明，用中心頻率為4GHz、頻寬為10MHz的線源激勵時，場的均勻性很好，其三維分布情況還有待進一步分析。此外，非零頻寬對敏感度測試的影響有待進一步分析。在輻射發射測試中，由於不能控制受試設備(EUT）的頻譜，是否還能用頻率攪拌的方法進行測試有待研究。

（6）不對稱結構(或固有)混響室

1998年，Frank B.J.Leferink等設計了一種新型混響室，它沒有任何兩個牆面是平行的，只有一個壁面垂直於其他牆面，混響室的長、寬、高尺寸不成比例，且在室內某些位置安裝了漫射體。研究結果表明，其在沒有使用機械攪拌器的情況下產生了統計均勻的電磁場，使得測試時間相對於機械攪拌混響室而言大幅度減少。S.Y.Chung等還考察了“Schroeder diffuser”和“Randomly Made Diffuser”兩種不同漫射體在固有混響室中的套用，並討論了漫射體安裝的位置和面積對混響室性能的影響。

基本構造

由於機械攪拌式混響室是目前套用最多、標準認可、運行比較可靠的電波混響室，所以在此以它來說明電波混響室的構造。

整體結構

如圖所示的是典型的混響室結構與設備配置，它是由禁止腔體、攪拌器與驅動電機、信號源、功率放大器、發射天線、接收天線(或場強計)及控制設備等組成。

圖1 典型混響室配置

禁止腔體是由鍍鋅鋼板等高反射率金屬材料圍成的矩形空間，腔體容積越大，則內部本徵模數越多、最低可用頻率越低。

電磁場發射和接收設備包括射頻或微波信號源、功率放大器、頻譜分析儀、光纖場強汁、控制計算機及測控軟體等。

機械攪拌器設計

機械攪拌式混響室(也稱模調諧式混響室或模攪拌式混響室)都安裝有攪拌器．它由貫通混響室的單根或多根轉軸及其附帶的金屬反射板構成，通過外部電機以步進或連續旋轉驅動方式帶動旋轉。攪拌器是混響室的一個重要特徵和標誌，攪拌器選擇得是否合理將直接影響到混響室的效果。

機械攪拌式混響室就是靠攪拌器的旋轉不斷改變金屬腔體邊界條件，從而得到隨機極化、統計均勻的電磁場。從電磁散射的角度來講，攪拌器和混響室牆面都會對發射天線饋入混響室內的電磁波進行多次反射和散射，由於攪拌器和混響室牆壁均為金屬導體，吸收損耗較小，經過多次反射和散射後的信號相互疊加，使混響室內空間部分位置的功率密度增大．形成較強的空問場強，而有些位置則有可能因反相位疊加使場強削弱。通過攪拌器的運動，隨機改變攪拌器的反射特性和散射特性．從而隨機改變空間最大場強值的位置，使測試區域內每一點均能達到所期望的最高場強。另外，由於攪拌器和混響室牆面的隨機散射，電磁波的極化方向也變得混亂和隨機，從而形成統計意義上的均勻和各向同性。

到達混響室測試點的電磁波包括直射波和反射波：前者是未經過攪拌器攪拌(反射)而到達測試點的電磁波；後者是經過攪拌器攪拌(反射)後到達測試點的，這類電磁波是隨機的，它們在混響室中產生隨機均勻的電磁場。為得到統計均勻場，應儘量減少混響室內部未經過攪拌器攪拌的直射電磁波，從這個角度來說，攪拌器面積越大越好。特別是在下限工作頻率附近，混響室機械攪拌調諧器的尺寸不能過小，否則，電磁波在槳葉附近發生繞射，不能實現電磁場的有效攪拌，因此，攪拌器的形狀和幾何尺寸是影響機械攪拌混響室性能的重要因素，應根據混響室的使用頻率範圍及禁止殼體內部空間大小沒計。

通常認為：攪拌器的尺寸應不小於工作波長的兩倍。IEC 61000-4-2l標準規定攪拌器尺寸至少為最低可用頻率波長的1/4．每個攪拌器相對於混響室的總尺寸來說應陔儘可能大，在這個方向的尺寸至少為混響室最小尺寸的3/4。另外,在攪拌器旋轉一周的過程中，混響室內不應出現重複的場分布。

攪拌器的攪拌效果用攪拌器效率(或稱攪拌比)來表示，攪拌器效率是指混響室輸入功率不變的情況下，攪拌器旋轉一周時混響室內任意一點在任意方向上的場強最大值與最小值之比。混響室攪拌器效率的高低，主要表現為攪拌器攪拌時對混響室本徵模頻率產生多大的漂移，模頻率漂移得越多，說明攪拌器的效率越高。為了保證混響室攪拌均勻，攪拌器對電磁場散射的隨機性越大越好。在攪拌器沒計安裝好後，應對攪拌器和攪拌步數進行相關性測試。

攪拌器根據反射板結構分為直葉、折葉及齒葉等類型，如下圖所示。其中，直葉攪拌器成本較低，但是折葉和齒葉攪拌器需要更加強大的動力控制系統來支持。從綜合性價比考慮，目前折葉攪拌器套用較多，齒葉攪拌器往往是與直葉攪拌器或者折葉攪拌器配合使用的，其主要目的是提高攪拌效率，尤其是在低頻段。

圖2 各類型的機械攪拌器

攪拌器雖然有各種形狀，但其設計通常應遵循以下原則：

A、最大尺寸應不小於混響室最大尺寸的75%。

B、攪拌器旋轉直徑應不小於最低使用頻率波長的l/4。

C、攪拌器優選非對稱結構，保證混響室在任意角度下不出現相同邊界條件。

D、為增加測試空間，攪拌器通常安裝在角落位置。

E、應選擇高反射率材料。

攪拌器材料選擇綜合考慮反射率、成本、重量等因素，銅的反射率足1.0，鋁的反射率是0.6，鋅的反射率是0.3，鋼的反射率是0.1。顯然，銅的反射率最高，但銅攪拌器重量大、成本高。因此，鋁是機械攪拌器最常用的材料，考慮到鋁性質活潑，應做表面抗氧化處理。

混響室中攪拌器的攪拌速度直接影響到混響室在低頻段的攪拌效果和場均勻性。通常攪拌分為定速和變速兩種模式，從理論上講，攪拌器的速度越高則場均勻性越好，但高速度必須有大功率、高轉速電機帶動，導致建造成本增加。另外，考慮到接收機也存在回響時問，過高的攪拌速度使測試儀器來不及回響，也不利於測試空間建立穩定的電磁場。目前，標準規定的混響室攪拌器轉速通常在10r/min～30r/min之間。

攪拌器根據安裝數量可劃分為單攪拌器、雙攪拌器和多攪拌器等類型。攪拌器的數量會影響下列指標：

l 混響室內電磁場分布的均勻性；

l 是混響室內的電磁場強度；

l 建立均勻場的時間；

l 混響室內有效測試空間的大小。

通常情況下，單攪拌器由於攪拌維數低，造成回響時間、均勻度、實際可用空間尺寸等都受影響，並且需要大馬力電機驅動。三維攪拌器的回響時間較快，但本身體積大，減少了有效測試空間，因此從成本、效果等因素綜合考慮。